新疆大学毕业论文（设计）
钼合金复合材料涂层，在边界润滑条件下，可表现出极好的耐磨性，有优异的抗粘着磨损能力。 (2) 热障涂层及应用
热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面起隔热作用，组织热的传递，防止基体金属温度升高或者降低基体的受热温度等作用。典型的热障涂层都设计成双层结构，即金属结合涂层和陶瓷层紧密几结和起来。热障涂层工作层材料通常都是陶瓷材料，目前都选择加入少量Y2O3的氧化锆（ZrO2）。
(3) 生物活性涂层及应用
等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的一种有效方法。国外对等离子喷涂羟基磷灰石涂层和钛涂层的研究报道较多。羟基磷灰石的化学式为Ca（PO）6（OH）6，简称为HV，其化学成分和晶体结构与人体骨骼和牙 质的化学成分相似，具有生物活性和相容性，能够与产生骨性结合，穿到骨骼生长。目前这种涂层广泛用于生物人工载体髋关节与人工植入材料。 (4) 非晶体涂层
非晶体合金具有很高的强度、硬度、优良的耐磨耐蚀性和良好的磁学性能。研究表明，含有相当高达硼的一些化合物能够在高速冷却时形成非晶态结构，等离子喷涂时熔粒的冷却速度高达105-106k/s，这种冷却速度可以使涂层中产生非晶体相的组织。采用大气等离子喷涂铁基非晶体合金粉制备的高含量的铁基非晶态合金涂层，致密度高，孔隙率低，氧化物含量少，硬度可达700-900HV，结合强度>27MPa。
(5) 其他功能涂层及应用
用等离子喷涂压电陶瓷涂层作用的压电元件无需黏贴，尤其适合于大面积压电传感器和压电元件阵列的制作。在切削刃上用真空等离子喷涂技术辅助沉积人造金刚石薄膜，可以实现难以加工材料的加工；也可以应用于喷管、喷嘴、计算机硬盘、挤压模和拉伸膜、火箭发动机系统、飞机发动机系统以及汽车引擎中的轴承等方面。
1.3 本章小结
本章介绍了首先功能材料的概念、分类、特点及应用，其次介绍了等离子体的概念和等离子喷涂的原理、工艺过程、喷涂特点以及喷涂涂层的检测方法和喷涂涂层的应用。功能材料的等离子喷涂在现代化的工业生产应用愈加广泛，等离子喷涂技术在表面技术的地位也愈加重要。
9
新疆大学毕业论文（设计）
第2章等离子喷枪的设计
等离子喷枪是产生等离子非转移弧的发生装置。整个等离子喷涂系统中的水、气、粉、电等都在喷枪中集中作业，通过喷涂枪产生的等离子弧使喷涂粉末加热到熔融状态，并喷工件的表面，从而获得所需要喷涂层。喷涂枪结构的好坏对热能的利用率、喷枪的使用寿命、喷涂工艺规范的选择和涂层的质量等方面有着非常重要的影响。因此，等离子喷枪是等离子喷涂设备中最为关键的部件之一。
传统的等离子喷枪仍存在能量消耗大、粉末沉积率低、喷枪寿命短等缺点，本章将从送粉方式、送气方式、喷嘴形状、阴极与钨极座等方面入手，优化设计出高沉积率、寿命长的等离子喷枪，从而节约了喷涂材料和喷涂设备，降低了喷涂能耗。
2.1 等离子喷枪的基本结构
等离子喷枪作为等离子喷涂技术的核心装置之一，它的构成主要包括三个部分，分别是枪体阳极（喷嘴）组件、阴极（钨极）组件和绝缘体组件。除此之外，喷涂装置还包括送粉组件、供气组件、供水组件和电缆及接口等部件。等离子枪体除了具有一般的电器特征外，还要保证其良机应具有较好的冷却条件。阴极与阳极配合后的气体通道要有很好的层流喷射条件，即常说的水、电、气特征。对于外送粉的送粉管要安装在枪体的前端面上，也可以采用两个，且能够方便地调节入射口与射流轴线间的距离或角度。对于内送粉结构，因为喷嘴内存在送粉的孔道，在同时考虑电弧通道、送粉和冷却等问题时，使得喷嘴及喷涂枪的结构变得比较复杂。另外，为适应不同材料对喷涂功能等的要求，同一种喷枪可以有多个不同类型的喷嘴配套。典型的外送粉式等离子喷枪的结构如图2-1所示[4]。
图 2-1 典型外送粉式等离子喷枪结构
10
新疆大学毕业论文（设计）
2.2 等离子喷枪基本参数的选择
根据实验室的现有设备，参照国内外等离子喷涂枪设计经验和实验室的实际需要，考虑到本枪的结构特点，如采用较大工作参数时，将导致枪体零部件的一定程度损坏，故尽量选择较小工作参数。因此，选取工作电压为：纯 Ar 气氛时电压20~30V，Ar+H2（H2体积含量 10%~20%）时电压 30~40V[3]。可用性和经济性是送粉气体的选择原则，N2气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵[18]。初步选取电流为 100~200A；电压为 20~30V，功率选择为 5~10kW，送粉气体为氮气（N2）。
由于阴极发射热电子并承受很大能量的正离子轰击，电极温度高达243103 K 以上，局部热负荷相当高。因此，在本实验中，我们选择熔点高、电子发射能力强的钨棒作为阴极，根据喷涂枪的设计要求取阴极的直径为 6mm。当喷涂时的电流密度越小时，阴极温度就越低，使用寿命就越长，但喷涂枪的结构将会增大，故要综合考虑阴极尺寸与几何形状[4]。
2.3 等离子喷枪结构的基本设计要求
(1) 要求具有很好的冷却效果
等离子喷涂枪产生的电弧属于非转移型电弧。工作气体需经过水冷喷嘴才能对电弧进行良好压缩而产生稳定的等离子弧，它的阳极斑点落在喷嘴内壁上，从而增加了喷嘴的热负荷，使喷嘴容易烧损。因此，必须对喷枪进行很好的冷却，同时良好的冷却条件也有利于对等离子弧的压缩作用，提高等离子焰流的喷射力。喷涂时所采用的冷却水压力一般为0.2~0.4MPa。 (2) 对喷嘴和阴极的安装要求
为了在高频引弧时，使电极尖端四周能产生均匀放电火花，这就要求喷嘴与阴极在安装后的同心度要高，若同心度偏低，容易引起喷嘴的烧损和降低其使用寿命。喷嘴与阴极在安装后的间隙要求比较严格，若阴极为固定式，则要求靠整个零件的装配尺寸链来保证它们之间的间隙；若阴极为可调式，则调节要求方便可靠。
(3) 对绝缘性能的要求
喷涂枪的绝缘性能要可靠，特别对正、负极间要有良好的绝缘性能，要求耐压达5000 伏以上。 (4) 对密封性能的要求
11
新疆大学毕业论文（设计）
整个喷涂枪的密封性能要高，使用时保证不漏水和不漏气。密封件一般采用耐高温的“O”型密封圈。 (5) 对喷涂枪的结构要求
整个喷涂枪的结构要紧凑，体积要小，重量要轻。因喷嘴是一个易损件，故它的几何形状要简单，以便于切削加工，更换方便。
2.4 等离子喷枪结构方案的选择 2.4.1 送粉方式的选择
无论国外还是国内，按照送粉方式可以分为外送粉、内送粉、轴向送粉三种方式[5]。 (1) 外送粉方式
外送粉就是在喷嘴外部将喷涂粉末垂直的或以某一角度吹入等离子炬中，如图2-2所示。这种送粉方式设备简单、容易实现，但它存在明显的缺点是：一方面，由于外界冷气体的混入，等离子气体的自身温度在离开喷嘴后急剧的下降，降低了高温气体对喷涂粉末的加热能力；另一方面，由于热泳力的作用(沿温度梯度方向的作用力)，等离子炬的中心高温区域所能够加热的粉末比例很小，大部分粉末还未得到充分的加热熔化就被冷气吹走。此外，为了降低等离子炬对基体的热影响，一般选用较长的喷涂距离，因此在飞行过程中离子很容易被空气氧化，降低喷涂涂层的质量；另外，外送粉粉末的利用率很低,甚至不足50%，浪费了相当一部分喷涂材料，从而提高了喷涂成本[14]。虽然外送粉有这么多缺点，可是现在的大多国内外企业仍在使用这种送粉方式的喷枪，不仅造成大量能源和材料的浪费，也难以得到高质量的涂层。
外送粉位置冷却水出口工作气体阴极工作气体冷却水入口等离子射流-阳极+图2-2 外送粉喷枪示意图
12